經過上百萬年的生物演變與進化，自然界形成了大量具有完美精細結構與優越性能的生物材料。珍珠母材料是這種生物材料的代表。由于其獨特的有機/無機層狀復合結構，使其具有極高的強度、硬度與良好的韌性。珍珠母是由約95 vol%的文石相碳酸鈣與約5 vol %的有機質（幾丁質與蠶絲蛋白）組成，其超常的力學性能來源于獨特的有機/無機層狀結構與良好的層間力學傳遞作用。受此啟發，大量的科學工作者希望合成具有相似結構的有機/無機雜化材料并得到實際的應用。目前制備具有珍珠母層狀結構的有機/無機雜化材料的主要方法有冰模板法、逐層自組裝法、生物礦化法與電沉積法等。以上這些方法都有各自的優點，但是由于工藝繁瑣，在實際應用中難以大規模連續性的制備大尺寸的產品。

    近期，美國康涅狄格大學（Universityof Connecticut）化工與生物分子工程系和材料科學研究所的孫陸逸教授課題組報道了一種簡單易行的方法，使大規模生產成為可能。其核心在于利用液體流動誘導取向的共組裝工藝，制備具有類似珍珠母結構的仿生有機/無機雜化材料。該方法首先將聚乙烯醇（PVA）水溶液與單片分散的蒙脫土（MMT）分散液共混制備PVA/MMT混合溶液，通過浸涂的工藝將這種混合溶液涂覆于塑料薄膜，比如聚乳酸（PLA）、聚酯（PET）、雙向拉伸聚丙烯（BOPP）、高密度聚乙烯（HDPE）與低密度聚乙烯（LDPE）薄膜的表面，再通過干燥、固化等過程，成功制備了一種層狀結構分布均勻、層間距可控、具有超強力學、阻隔與阻燃性能的PVA/MMT雜化納米涂層材料。不同于常見的聚合物納米復合材料，由這種方法所制備的PVA/MMT雜化納米涂層材料中，MMT的含量可以達到70 wt%或更高，并且MMT平行于基底的平面高度取向。基于透射電鏡（TEM）對材料結構的表征結果（圖1）可以看出，當MMT的含量達到50 wt% 時，MMT有高度致密并高度取向的狀態。同時通過加入交聯劑戊二醛使得有機高分子PVA分子鏈之間及PVA與MMT之間形成交聯結構，提高了無機相與有機相之間力的傳遞。當MMT的含量為50 wt% 時，所制備樣品的拉伸強度與模量分別高達315 MPa與65 GPa。其拉伸強度大大超過了航空用鋁合金，模量非常接近航空用鋁合金，但是密度只有1.75克/立方厘米，遠低于鋁合金，并且保持高度透明。

▲ 圖1. PVA/MMT（50 wt%/50 wt%）雜化納米涂層的TEM照片。

    除了具有非常優異的結構與力學性能外，因為均勻規整致密排列的MMT片層對氣體的滲透有良好的阻隔作用，這種雜化納米涂層材料同時還具有優異的阻隔性能。將其涂覆于PLA、PET、BOPP、HDPE與LDPE膜表面，可以極大的降低這些塑料薄膜對氧氣與水蒸汽的滲透率。例如在PLA膜表面涂覆MMT含量為50 wt%的涂層（厚度約為620 納米）后，對比未涂覆前，其對氧氣與水蒸汽的滲透率分別從1205.0 mL/(m²•day) 與98.2 g/(m²•day)降至0.2 mL/(m²•day) 與13.1 g/(m²•day)。

    這種雜化納米涂層材料同時還具有很好的阻燃效果，將該雜化納米材料涂覆于PET膜與開孔聚氨酯（PU）泡沫塑料的表面，可以大大降低基體材料的可燃性（視頻1與視頻2）。這主要是由于PVA/MMT納米復合涂層中MMT的排列非常致密規整，可以對熱量與氧氣的傳遞形成出色的阻隔效果，使存在于MMT層間的PVA不充分燃燒，從而造就了出色的阻燃效果。 

視頻一：表面未涂覆和表面涂覆PVA/MMT雜化納米涂層的PET薄膜的垂直燃燒過程。

視頻二：表面未涂覆和表面涂覆PVA/MMT雜化納米涂層的開孔PU泡沫塑料的水平燃燒過程。

    以上工作近期發表在《Science Advances》（2017; 3: e1701212），文章的并列第一作者為丁富傳博士與劉靜靜同學。丁富傳為美國康涅狄格大學博士后（現在福建師范大學化學與材料學院工作），劉靜靜為美國康涅狄格大學博士生。

    全文鏈接：

    http://advances.sciencemag.org/content/3/7/e1701212

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責任編輯：王元

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